Биологический факультет
Кафедра биофизики
119991, Москва, ГСП-2, Ленинские горы. Телефон (495) 939-1116, факс 939-1115.
! | Это архивная версия сайта кафедры биофизики от 2020 года. Актуальный сайт доступен по адресу https://www.biophys.msu.ru/. |
Учебные дисциплины
Введение в физику конденсированных сред и макромолекул
Красильников П.М., Левшин Н.Л., Тамм В.М.
- Красильников П.М. Введение. Физические механизмы некоторых молекулярных биопроцессов
- Левшин Н.Л. Наносистемы и наноустройства
- Тамм М.В. Физика полимеров
Введение. Физические механизмы некоторых молекулярных биопроцессов
Лектор доц. каф. биофизики Биологического ф-та МГУ, к.ф.-м.н. Красильников П.М.
Цель лекций состояла в ознакомлении слушателей с основными понятиями, явлениями и объектами той области современного знания, которая кратко именуется как «нанотехнологии». Это очень обширная область, вбирающая в себя многообразие и специфику тех научных направлений, на стыке которых она возникла и развивается. В данных лекциях основное внимание было сосредоточено на физическом, биологическом и биофизическом аспектах исследований в области нанотехнологий.
Понятие наноразмерных частиц и основные представления о квантово-размерных эффектах пришли из микроэлектроники и физики полупроводников. Поэтому первая часть лекционного материала (слайды 2 – 32) посвящена обзору основных этапов и достижений в этой области. Краткая история научных достижений, приведших к возникновению понятия «нанотехнологии», представлена на слайдах 2 – 6. В настоящее время годом рождения новой области знания принято считать 1959 г., в декабре которого Р. Фейнман выступил с известным докладом в Калифорнийском Технологическом Институте. Существенный стимул нанотехнологические исследования получили в 80-х годах прошлого столетия, когда были созданы основные инструменты – скнирующий туннельный микроскоп, атомно-силовой микроскоп и др. развитие микроэлектроники привели к тому, что в современный научный язык вошли такие понятия, как «квантовые ямы», «квантовые точки», «квантоворазмерный эффект» и т.п. Необходимому качественному пояснению этих терминов посвящены слайды 7 - 12. Одним из наиболее ярких отличий наноразмерных объектов от макроскопических является зависимость свойств наночастиц от их размеров и числа атомов, входящих в их структуру. Обзор таких свойств, с введением и пояснением некоторые устоявшихся понятий, представлен на слайдах 13 – 17. Обзору инструментальной базы нантехнологических исследований посвящены слайды 18 – 27. Часть лекционного материала иллюстрировала примеры применения нанотехнологий и наноматериалов в технике, а также некоторым природным объектам, проявляющим похожие свойства (слады 28 – 32).
Вторая часть лекционного материала посвящена обсуждению биологического аспекта нанотехнологий (слайды 33 – 67). В настоящее время биологические науки и медицина вошли в область приоритетных исследований. Это вполне очевидно в свете понимания глобальных биомедицинских и экологических проблем, имеющих статус общечеловеческих угроз в современном мире (слайд 33). Формулировки основных направлений и задач нанобиотехнологии представлены на слайдах 34 – 36. Далее показано, что молекулярная биология исходно имеет в качестве объектов исследования наноразмерные макромолекулярные структуры. В качестве примеров работающих молекулярных биомашин приведены ПЦР (слайды 37 – 40) и Биочип (слайды 42, 43). Основная задача современного направления, которое получило название «Нанобиотехнологии», состоит в синтезе и взаимопроникновении достижений молекулярной биологии, микроэлектроники и науки о материалах. Приведены иллюстрации достижений молекулярных конструкций, создание которых основано на достижении генной инженерии – биодатчики. Представлены модельные искусственные наносистемы, воспроизводящие свойства биологических конструкций (слайды 44 - 51). Даны иллюстрации использования бактерий в качестве наноконструкций или строительного материала (слайды 52 – 54). При обсуждении проблем нанобиотехнологий, наряду с чисто практическими, прикладными вопросами, возникает необходимость обсуждения фундаментальных биологических проблем, например, таких, как определение живой материи. В качестве примера предлагаются вирусы (слайды 55 - 57). Вирусы также как и бактерии могут быть использованы в качестве готового материала для создания наноконструкций. Часть лекционного времени посвящена обсуждению фундаментального вопроса – возможно ли на основе физических законов понять феномен жизни. В качестве иллюстрации этой дискуссии приводятся высказывания Н. Бора и Э. Шредингера (слайды 58 – 60). В заключительной части лекции формулируется ряд проблем общего характера и некоторые методы их решения. В качестве примера одного из современных методов исследования макромолекулярных биологических конструкций обсуждается метод компьютерного моделирования. Приведены примеры квантово-химических и молекулярно-динамических компьютерных расчетов различных модельных молекулярных систем (слайды 61 – 67). Также, в качестве примера компьютерного моделирования, была продемонстрирована анимация нормальных колебательных мод нанотрубок, полученная в рамках задачи Большого практикума.
Программа
Без знания основ современной теоретической физики совершенно не возможно понять природу биологических процессов на молекулярном уровне. Теоретические подходы к описанию явлений, наблюдающихся как в «не живых» нанообъектах, так и в биологических макромолекулярных системах основаны на применении методов квантовой теории физики конденсированного состояния. Основная цель данного лекционного курса состоит в том, чтобы, с одной стороны, хотя бы отчасти ликвидировать существенные пробелы студентов-биофизиков в области физики конденсированного состояния вещества и, с другой стороны, продемонстрировать специфику физических свойств и особенностей функционирования биологических молекулярных систем.
Лекция 1. Конденсированное состояние вещества. Дальний и ближний порядок. Кристаллическое состояние вещества. Трансляционная симметрия. Элементы зонной теории кристаллических тел. Металлы, полуметаллы, полупроводники, диэлектрики. Механизмы переноса зарядов в твердых телах. Эффективная масса носителя заряда.
Лекция 2. Адиабатическое приближение. Коллективные (элементарные) возбуждения в твердых телах. Малые колебания кристаллической решетки (гармоническое приближение). Нормальные координаты. Фононы – акустические и оптические ветви. Электрон-фононные взаимодействия.
Лекция 3. Неупорядоченные среды. Локализованные электронные состояния. Перенос зарядов в неупорядоченных средах (случай продольных акустических фононов).
Лекция 4. Водородные связи – важный фактор молекулярной организации биологических структур. Физико-химические свойства воды. Проблема гидратации белков. Природа гидрофобных и гидрофильных сил. Потенциал водородной связи. Механизм переноса протона в молекулярных системах с развитой сеткой водородных связей.
Лекция 5. Релаксационные процессы в молекулярных системах с водородными связями. Сопряжение процессов электронного переноса и электронного возбуждения с протонной релаксацией в системе водородных связей в молекулярных структурах.
Лекция 6. Рассмотрение конкретной биологической молекулярной системы – бактериальный фотосинтетический реакционный центр. Температурная зависимость константы скорости реакции рекомбинации P+QA– → PQA в РЦ Rhodobacter sphaeroides и протонная релаксация. Температурный сдвиг спектральной полосы поглощения димера бактериохлорофилла и протонная релаксация.
Вопросы
- Почему макромолекулы не обладают зонной структурой энергетического спектра?
- Что такое уровень Ферми? Есть ли аналогичный уровень в макромолекулах?
- Почему, говоря об электронах проводимости в металлах, мы можем считать их практически свободными?
- В чем состоит характерное отличие металлов от полупроводников? Что такое полуметаллы?
- Что такое запрещенная зона в полупроводниках? Есть ли принципиальное отличие полупроводников от диэлектриков?
- Почему эффективная масса носителя заряда может существенно отличаться от массы свободного электрона?
- В чем суть адиабатического приближения при квантовом описании молекулярных систем и твердых тел?
- Что такое нормальные колебания системы связанных осцилляторов систем?
- Как вводится оператор электрон-фононных взаимодействий в случае продольных акустических фононов? Каков физический смысл деформационного потенциала?
- Почему в неупорядоченных средах при обычных условиях не наблюдается металлическая проводимость?
- Что означает с точки зрения квантового описания локализованное состояние системы?
- Каков механизм переноса зарядов в неупорядоченных средах?
- Каковы типичные значения энергии водородной связи? В каких пределах может варьировать энергия водородных связей? Есть ли принципиальное отличие внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей?
- Перечислите некоторые физико-химические свойства воды? Почему их часто называют аномальными? Пояснить температурные зависимости энтропии, теплоемкости, статической диэлектрической проницаемости воды.
- Пояснить природу гидрофобных сил. Есть ли принципиальное отличие сухого и гидратированного белка? Что такое конформация белка и конформационная подвижность?
- В каих случаях потенциал водородной связи может характеризоваться двухъямным профилем? Приведите примеры молекулярных структур, характеризующихся двухъямным профилем сечения потенциальной энергии системы вдоль водородной связи?
- Поясните механизм миграции протона в молекулярной системе с водородными связями. Что такое механизм Гротгуса? Когда он был предложен?
- Что такое релаксационный процесс? Приведите примеры молекулярных релаксационных процессов? В чем отличие феноменологических релаксационных моделей Максвелла и Фойгта?
- В чем суть протонной релаксации в системе водородных связей при наличии двухъямного потенциала? При каких условиях он реализуется?
- Каково характерное время протонной релаксации? Какова температурная зависимость скорости протонной релаксации?
- Каковы механизмы, вызывающие деформацию водородной связи?
- Чем определяется разность свободной энергии в процессе переноса электрона?
- Какие молекулярные процессы могут повлиять на величину разности свободной энергии ? В каких случаях ее величина может увеличиться?
- Пояснить механизм влияния протонной релаксации на величину .
- Может ли зависеть от температуры? Пояснить зависимость от температуры в случае реализации протонной релаксации. Каким может быть характер этой зависимости?
Литература
- П.М. Красильников Основы квантовой механики (для биофизиков). Курс лекций. Биофак МГУ 2009.
- П.М. Красильников Механизмы переноса зарядов в нанобиоструктурах (для биофизиков) Биофак МГУ 2008.
- А.С. Давыдов Квантовая механика. М.:ГИФМЛ, 1963. – 748 с.
- В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников Физика полупроводников. М: Наука, 1977. – 672 с.
- О. Маделунг Физика твердого тела. Локализованные состояния. М.: Наука, 1985. – 184 с.
- Дж. Слэтер Электронная структура молекул. М.: Мир, 1965. -587 с.
- Дж. Пиментел, О. Мак-Клеллан Водородная связь. М.: Мир, 1964. – 462 с.
- Водородная связь. Сб. статей. Ред. Н.Д. Соколов. М.: Наука, 1981. -286 с.
- Д. Эйзенберг, В. Кауцман Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 280 с.
- G. Zundel Proton polarizability of hydrogen bonds and proton transfer processes, their role in electrochemistry and biology. Institute für Physikaische Chemie der Universität München, 1997. – 250 p.
Введение в физику конденсированных сред и макромолекул. Наносистемы и наноустройства (часть 1)
Лектор — д.ф.м.н., проф. Левшин Н.Л.
Лекция 1. Фазовые переходы в конденсированных средах. Классификация фазовых переходов. Параметр порядка. Свойства фазовых переходов первого и второго рода. Термодинамика фазовых переходов. Теория Ландау для фазовых переходов второго рода. Возможность термодинамического рассмотрения фазовых переходов в системах с пониженной размерностью. Граница раздела между фазами. Поверхностная энергия и поверхностное напряжение. Роль флуктуаций в развитии фазового перехода. Полиморфизм и структурные фазовые переходы в твердых телах.
Лекция 2. Фазовые переходы в сегнетоэлектриках. Активные диэлектрики. Электреты. Классификация электретов по способу их получения. Механизмы образования гомо- и гетерозаряда. Влияние внешних воздействий на заряд электретов. Классификация сегнетоэлектриков и их основные свойства: петля гистерезиса, температура Кюри, зависимость спонтанной поляризации и диэлектрической проницаемости, доменная структура, оптические, пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства. Антисегнетоэлектрики. Органические сегнетоэлектрические материалы: жидкие кристаллы и пленки Ленгмюра-Блоджетт. «Собственный» эффект поля. Роль поверхностных уровней в экранировании спонтанной поляризации. Влияние неравновесных носителей заряда на поверхностные свойства. Фотосегнетоэлектрические явления. Сегнетоэлектрические пленки. Размерные эффекты. Влияние адсорбции на переходы в поверхностном слое сегнетоэлектрика.
Лекция 3. Магнитные свойства атома. Классификация магнетиков. Закон Кюри-Вейсса для ферромагнетиков. Обменное взаимодействие. Основные свойства ферромагнетиков: петля ферромагнитного гистерезиса, спонтанная намагниченность, энергия магнитной кристаллографической анизотропии, ферромагнитные аномалии, доменная структура, магнитострикция. Магнетизм малых частиц. Суперпарамагнетизм. Аморфные ферромагнетики. Спиновые стекла. Тонкие ферромагнитные пленки. Магнитные пленки Ленгмюра-Блоджетт. Особенности доменной структуры на поверхности ферромагнетиков. Доменные границы Блоха и Нееля. Структура доменной границы. Влияние адсорбции на магнитные свойства ферромагнетиков.
Лекция 4. Фазовый переход металл-полупроводник. Материалы, претерпевающие фазовый переход металл-полупроводник. Роль электронной подсистемы полупроводника в развитии фазового перехода. Эффект Яна-Теллера. Вигнеровская кристаллизация. Переход Мотта. Электрон-фононное взаимодействие. Модель Пайерлса. Способы управления фазовым переходом. Роль поверхностных явлений в развитии фазового перехода металл-полупроводник.
Введение в физику конденсированных сред и макромолекул. Физика полимеров
Лектор – н.с. физического факультета МГУ, к.ф.-м.н. Тамм М.В.
Лекция 1. Введение в науку о полимерах. Что такое полимер? Примеры полимеров. Биополимеры и синтетические полимеры – сходства и различие строения и свойств. Физика полимеров как альтернативный метод думания о биофизических задачах, в связи с этим – роль физики полимеров в биофизике. Основные «повторяющиеся мотивы», возникающие при теоретическом изучении полимерных систем. Наличие в полимерных системах естественного большого параметра и аномально низкая энтропия полимерных систем как ключ к пониманию физики полимеров. Сравнение энтропии полимеров и низкомолекулярных веществ.Гибкость полимеров. Полимеры с поворотно-изомерным и персистентным механизмами гибкости. Примеры. Различие в гибкости полимеров.Полимерные системы различной архитектуры. Полидисперсность полимерных систем и методы ее характеризации. Гомополимеры и сополимеры, случайные и регулярные сополимеры, еще раз об особенностях биологических полимеров. Разветвленные полимеры, звезды, гребенки. Полимерные сетки и гели. Кольцевые полимеры. Роль топологических ограничений в полимерах.Описание агрегатные состояния полимеров. Почему полимеры не образуют регулярных кристаллов. Частично-кристаллическое, высокоэластичное, вязкоупругое и стеклообразное состояние полимеров. Примеры. Полимерные растворы. Различные концентрационные режимы в полимерных растворах. Понятие о полуразбавленном растворе и критической концентрации перекрывания. Понятие о жидкокристаллическом упорядочении полимерных растворов.
Лекция 2. Одиночная полимерная цепь. Понятие о полимерном клубке и полимерной глобуле. Объемные взаимодействия. Понятие об идеальной полимерной цепи, роль модели идеальной цепи в теории полимеров, аналогия с моделью идеального газа. Модель цепи со свободно-сочлененным механизмом гибкости. Зависимость размера идеального клубка от контурной длины цепи, универсальность этой зависимости. Спадание ориентационных корреляций вдоль по цепи. Куновский сегмент и персистентная длина полимерной цепи. Количественная характеризация гибкости полимерных цепей. Гибкоцепные и жесткоцепные полимеры. Примеры. Проблема исключенного объема. Набухание и коллапс полимерных цепей как следствие доминирования отталкивания и, соответственно, притяжения в объемных взаимодействиях мономерных звеньев. Понятие о качестве растворителя. Понятие о тета-условиях, компенсация притяжения и отталкивания в тета-точке, вириальное разложение и связь состояния полимерной цепи со знаком второго вириального коэффициента. Опухание набухшего состояния полимерного клубка методом Флори, зависимость пространственного размера от контурной длины цепи. Переход клубок-глобула, влияние жесткости цепи на характер перехода. Предпереходное набухание полимерных глобул. Экспериментальное исследование перехода клубок-глобула. Набухание и коллапс полимерных гелей.
Лекция 3. Полимерные растворы и расплавы. Высокоэластичность полимерных сеток. Различие в упругих свойствах полимерных сеток и низкомолекулярных твердых тел. Молекулярное объяснение высокоэластичности, ее энтропийный характер. Модуль Юнга полимерной сетки и его зависимость от густоты сшивки сетки и от температуры.Вязкоупругость полимерных расплавов. Понятие о вязкости и методах ее измерения. Реакция простых жидкостей, вязкоупругих жидкостей и упругих твердых тел на приложенное сдвиговое напряжение: сходства и различия. Молекулярное объяснение вязкоупругости: модель рептаций. Максимальное время релаксации полимерного расплава как время обновления рептационной трубки.Полимерные растворы – еще раз о понятиях полуразбавленного и концентрированного режимов. Экранирование объемных взаимодействий в полимерных растворах и расплавах. Теорема Флори. Полимеры в плохом растворителе: фазовое расслоение в растворах полимеров. Характеризация фазового расслоения, фазовые диаграммы. Определение границ фаз по зависимости свободной энергии от плотности. Метод общей касательной. Модель Флори-Хаггинса. Свободная энергия полимерных растворов в модели Флори-Хаггинса. Постоянная Флори-Хаггинса, ее физический смысл и зависимость от температуры. Верхняя и нижняя критические температуры растворимости. Понятие о гидрофобных взаимодействиях.
Лекция 4. Методы характеризации растворов полимеров. Методы характеризации растворов полимеров. Вискозиметрия. Общий принцип устройства экспериментальной установки. Понятие о характеристической вязкости раствора. Зависит ли характеристическая вязкость от размера растворенных частиц? Гидродинамические взаимодействия. Приближение непротекания. Связь характеристической вязкости с длиной растворенных полимерных цепей. Уравнение Марка-Куна-Хаувинка.Упругое рассеяние света. Общий принцип устройства экспериментальной установки. Сравнение размера полимерного клубка с длиной волны видимого света. Почему интенсивность рассеяния зависит от массы растворенных частиц? Когерентный и некогерентный свет, деструктивная интерференция. Влияние конечного размера клубка на рассеяние. Измерение среднеквадратичного размера цепи методом упругого рассеяния света. Понятие о волновом векторе и его физический и математический смысл.Неупругое рассеяние света. Общий принцип устройства экспериментальной установки. Эффект Доплера. Уширение спектральных линий. Лоренцевская форма кривой, связь полуширины кривой Лоренца с коэффициентом диффузии клубков. Определение размера клубков по коэффициенту диффузии.Гель-электрофорез. Общий принцип устройства экспериментальной установки. Понятие о полиэлектролитах. Роль геля в гель-электрофорезе. Почему наличие геля приводит к возникновению разрешения по длинам полиэлектролитов? Объяснение с помощью теории рептаций.
Лекция 5. Элементы физики полиэлектролитов. Понятие о полиэлектролитах. Сложность полиэлектролитных задач и многообразие возникающих в них параметров. Длина Бьёррума. Экранировка электростатических взаимодействий. Уравнение Пуассона-Больцмана, его линейное приближение. Граница применимости этого приближения. Понятие о ионной силе раствора. Потенциал Дебая-Юкавы и радиус Дебая-Хюккеля.Маннинговская конденсация противоионов на заряженной цепи. Параметр конденсации. Понятие о иономерном эффекте. Ужестчение заряженных цепей, электростатический вклад в персистентную длину и его зависимость от радиуса Дебая и от ионной силы раствора. Роль осмотического давления противоионов. Набухание и коллапс полиэлектролитных гелей. Суперабсорбционные свойства полиэлектролитных гелей.